控釋肥在我國棉花上的應(yīng)用研究現(xiàn)狀與展望

張 超，馬曉麗，耿計(jì)彪,，楊修一，李 強(qiáng)，于起慶，楊玉坤

(1.金沂蒙集團(tuán)有限公司，山東臨沭 276700；2.山東省水土保持與環(huán)境保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，臨沂大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山東臨沂 276005)

棉花是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物，其生長、發(fā)育和產(chǎn)量形成需要化肥提供礦質(zhì)營養(yǎng)。近年來，隨著世界人口的快速增長和農(nóng)用耕地的減少，人類更需要提高農(nóng)作物的產(chǎn)量來滿足不斷增長的需求，對化肥的依賴性更強(qiáng)[1]。但是我國肥料利用率較低，目前，氮肥利用率為30%～35%，鉀肥平均利用率為35%～50%，磷肥總利用率為10%～25%，相當(dāng)于每年損失1 900萬t尿素，折合人民幣380 億元以上[2-3]。同時，大量、過量使用化肥會造成作物生長過旺，養(yǎng)分流失嚴(yán)重，過量肥料在植物根際積累，不僅會破壞植物根系細(xì)胞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致作物減產(chǎn)甚至死亡，并且土壤中硝態(tài)氮過量積累，隨大量灌水向土壤深層淋溶，進(jìn)而污染地下水源，使河流、湖泊等水體富營養(yǎng)化[4-5]。

化肥是棉花生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，當(dāng)前世界各大產(chǎn)棉國在施肥方面仍以氮肥為主，但是傳統(tǒng)的速效化肥由于肥效期短，養(yǎng)分容易淋失、揮發(fā)和固定，需要多次追施，耗費(fèi)大量人力和資源[6]。由于控釋肥可根據(jù)作物需求而緩慢釋放養(yǎng)分，提高肥料利用率，減少環(huán)境污染，并且省時省工，成為新型肥料的研究熱點(diǎn)[7]。我國的控釋肥起步較晚，但是發(fā)展很快。將包膜控釋肥在多種作物上進(jìn)行盆栽、田間試驗(yàn)和示范，結(jié)果表明包膜控釋肥可使肥料養(yǎng)分利用率提高50%～100%，其中氮肥利用率提高10～20百分點(diǎn)，按此計(jì)算，在肥料用量減施1/3～1/2的情況下仍有明顯的增產(chǎn)效果[8]。與普通肥料相比，施用控釋肥料可提高肥料利用率，增加作物產(chǎn)量，改善品質(zhì)，改良土壤物理性狀，提高土壤養(yǎng)分有效性，促進(jìn)作物生長和減少環(huán)境污[9]?，F(xiàn)階段，對控釋肥在水稻、小麥、玉米等作物上的應(yīng)用較多，并且施用控釋肥能夠顯著增加糧食作物產(chǎn)量，但是對于控釋肥在棉花上的應(yīng)用效果缺乏系統(tǒng)的研究。通過對現(xiàn)階段控釋肥在棉花上的應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合不同學(xué)者成果，系統(tǒng)總結(jié)其對棉田土壤養(yǎng)分、肥料利用效率、棉花產(chǎn)量及品質(zhì)的影響，并指出現(xiàn)階段在棉田應(yīng)用上的不足，展望其需求及發(fā)展，以期為控釋肥在我國棉花上的推廣應(yīng)用及工藝技術(shù)創(chuàng)新提供理論依據(jù)。

1 控釋肥對棉田土壤養(yǎng)分的影響

棉花是需肥量較大的作物，其產(chǎn)量提高主要依靠普通氮肥的大量投入，這導(dǎo)致土壤板結(jié)，有機(jī)質(zhì)含量降低，養(yǎng)分流失嚴(yán)重?？蒯尫柿暇哂叙B(yǎng)分釋放規(guī)律與作物養(yǎng)分吸收基本同步的特點(diǎn)，一次性施用后，不會造成棉花旺長，也不會使后期棉田脫肥，可達(dá)到提高肥料利用率、減少環(huán)境污染的目的[10-11]。普通肥料不能直接施在棉花的種子或根周圍；而控釋肥釋放緩慢，不會產(chǎn)生養(yǎng)分離子的急劇增加，可直接施在種子或根周圍[12]。研究表明，棉花施用控釋氮肥后，蕾期前土壤中的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量低于施用普通氮肥處理，但初花期至收獲結(jié)束時，控釋氮肥處理的土壤顯著高于普通氮肥[10,13]；控釋氮肥顯著提高初花期和盛花期的土壤速效鉀含量，分別增加 9.34%～30.58%和 10.84%～25.47%[7]?？蒯尩试谔镩g土壤中的釋放特性、土壤的供氮特征和棉花的需肥規(guī)律能夠達(dá)到一致性，實(shí)現(xiàn)同步營養(yǎng)的目的[14]。

土壤容重影響土壤的孔隙度與孔隙大小的分配，以及土壤的穿透阻力，從而影響土壤的水、肥、氣、熱條件與作物根系的生長[9]。向土壤中添加控釋肥殘膜后，孔隙度明顯增加，土壤容重降低，土壤比重變化不大[15]，表明殘膜在一定含量施用范圍內(nèi)，顯著改善土壤結(jié)構(gòu)。施入硫包膜尿素，遇雨能產(chǎn)生酸根，對于長期習(xí)慣施用生理堿性肥料(例如碳酸氫銨)的地區(qū)，是一種改良土壤理化性狀的理想肥料品種[16]。但是過量施用控釋含硫尿素，棉花會表現(xiàn)為早衰，營養(yǎng)生長過旺，蕾鈴脫落率高[17]，使棉花減產(chǎn)。適量硫膜可改善土壤中Mg、Ca的活化程度，而過量硫膜則會抑制其活化；同時，硫膜顯著增加土壤中水溶性SO42-的積累[18]。

2 控釋氮肥對氨揮發(fā)的影響

氨揮發(fā)是氮肥施入土壤后，氮素氣態(tài)損失的重要途徑，其主要受土壤條件、氣候因子和施肥狀況等影響。施用包膜尿素的土壤氮?dú)埩舾哂谄胀蛩靥幚韀17]，氨揮發(fā)量減少51.3%～91.3%[18]。尿素施入土壤10 d內(nèi)，氨揮發(fā)量迅速增加，然后逐漸平穩(wěn)下降；控釋肥處理則氨揮發(fā)量較小，且33 d達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；但氨揮發(fā)量均與施氮量成正比[19]。鄭圣先等[20]研究表明控釋氮肥的氨揮發(fā)量比尿素處理降低54%，利用率提高37.5%，淋失量降低32.5%。也有研究表明，控釋肥處理氨揮發(fā)量僅為常規(guī)肥料(相同施肥量) 處理的47.5%；全處理收益比常規(guī)肥料處理提高30.2%，氮肥效率提高7.8%[21]。大量研究顯示，使用控釋肥既節(jié)省追肥所需的勞動力投入，又能減少肥料用量，使氮肥利用率提高10%～30%[22]?？蒯審?fù)合肥與普通復(fù)合肥相比，氮的利用率由22.5% 提高到60.0%～62.5%，磷的利用率由15.0% 提高到26.5%～30.2%[23]。

3 控釋肥對棉花產(chǎn)量的影響

為了滿足棉花營養(yǎng)生長和生殖生長的需求，在生育中、后期供應(yīng)充足的氮肥，是棉花高產(chǎn)的物質(zhì)保證。有學(xué)者認(rèn)為，棉株對氮肥的最大需求期是從初花開始，控釋肥肥效在后期略顯不足[24]，并且控釋肥前期釋放速度慢，對棉花前期生長不利，苗期易出現(xiàn)“控長”。若使控釋肥發(fā)揮最大效益，需與普通尿素?fù)交焓┯?，摻混最佳比例?∶3。此比例混施有助于苗期棉株迅速生長，增加后期有效光合葉面積[24]。也有研究表明，棉花前期生長，控釋肥與普通肥料生長差異不明顯；但控釋肥可滿足棉花中后期的養(yǎng)分需求，生長穩(wěn)健不早衰，脫落少，光合速率明顯高于對照[17]，葉片硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性增加，超氧化物歧化酶和過氧化物酶活性增強(qiáng)[6]，有利于增加成桃，增產(chǎn)顯著[25]。

棉花高產(chǎn)以生物量為基礎(chǔ)，而生物量的積累又以養(yǎng)分吸收為基礎(chǔ)。蕾期至盛鈴期是棉花干物質(zhì)累積速率最快的時期，此階段養(yǎng)分供應(yīng)充足，可為高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)打下堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。研究表明，在苗期時，控釋肥與普通肥料處理棉株干物質(zhì)量差異較小，但蕾期以后顯著高于對照，收獲結(jié)束時增加4.2%～6.1%[10]。控釋肥處理棉田干物質(zhì)日積累最大值出現(xiàn)在盛花至盛鈴時期，并且控釋肥處理棉株在后期仍能保持相對較高的干物質(zhì)日積累量,從而增加后期干物質(zhì)的積累量，進(jìn)而提高棉花產(chǎn)量[26-28]。

控釋肥的施用增加田間種植棉花的產(chǎn)量，增產(chǎn)幅度在6.2%～45.3%；在盆栽上的效果更為顯著，增產(chǎn)33.35%～113.05%[29]。在棉花產(chǎn)量構(gòu)成因素方面，對于控釋肥能否增加單株結(jié)鈴數(shù)、桃數(shù)和單鈴重結(jié)果不一。余策金等[30]在棉花上應(yīng)用控釋肥的結(jié)果表明，其能使鈴重增加，單株結(jié)鈴數(shù)提高，單鈴重增加0.5 g；這是由于控釋氮肥處理可提高中后期棉葉葉肉細(xì)胞PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率和PSⅡ潛在光化學(xué)活性，改善葉肉細(xì)胞的光合能力，提高群體光合效率，增加單株結(jié)鈴數(shù)和鈴重[17]。Geng等[10]研究結(jié)果顯示，控釋氮肥通過增加鈴重達(dá)到增產(chǎn)，對鈴數(shù)和衣分影響較小。也有一部分學(xué)者認(rèn)為，與生產(chǎn)對照相比，不同控釋氮肥處理的棉花最終果枝數(shù)、果節(jié)數(shù)及單鈴重與普通氮肥處理無顯著差異[31]，魏建林等[32]研究表明棉花的衣分、鈴重與肥料的種類無關(guān)。

4 控釋肥對棉花品質(zhì)的影響

棉花纖維品質(zhì)是由品種遺傳特性、資源環(huán)境和栽培措施共同決定的。施氮量對棉纖維伸長率、長度、馬克隆值影響較顯著，對斷裂比強(qiáng)度和整齊度影響較小[32]。李學(xué)剛等[33]研究表明樹脂包膜尿素處理，7月下旬棉鈴纖維比強(qiáng)度和8月棉鈴纖維馬克隆值顯著增大，7月下旬棉鈴纖維成熟度增加顯著，皮棉產(chǎn)量和籽棉產(chǎn)量分別增加6.4%和6.2%；與普通氮肥處理相比，控釋氮肥處理對棉株3～5 果節(jié)和中上部果枝的棉鈴纖維品質(zhì)影響顯著，呈現(xiàn)出鈴重增加、衣分降低的趨勢，而對其他部位棉鈴素質(zhì)及纖維品質(zhì)無顯著影響?？蒯尩侍幚盹@著增大纖維馬克隆值，增加纖維比強(qiáng)度，提高纖維成熟度，但對纖維長度影響不顯著[34]。Yang等[35]研究表明，控釋肥對纖維伸長率無顯著影響，但顯著增加纖維長度和斷裂比強(qiáng)度。

5 控釋肥料在棉花應(yīng)用上存在的問題與展望

5.1控釋肥在棉花應(yīng)用上存在的問題綜上所述，控釋肥可提高土壤養(yǎng)分含量，減少氨揮發(fā)和淋溶損失，提高棉花產(chǎn)量，改善纖維品質(zhì)，但是仍然存在許多薄弱環(huán)節(jié)與問題，有待更加深入地研究和探討。一是包膜控釋肥大部分都是由不可降解的石油基聚合物作為包膜材料，在土壤中降解緩慢，這是否會對土壤造成二次污染，對生態(tài)環(huán)境造成危害等問題，需要進(jìn)一步做出系統(tǒng)研究，并形成完善的評價體系。二是對控釋肥的增產(chǎn)評價，僅局限于簡單的肥效試驗(yàn)，缺乏其在土壤中釋放規(guī)律、形態(tài)轉(zhuǎn)化和去向等方面的綜合評價。控釋肥的養(yǎng)分釋放能與棉花養(yǎng)分吸收相同步，盡管已有很多人研究控釋肥在靜水和土壤中的釋放機(jī)理，但關(guān)于釋放機(jī)理和作物吸收特性相互聯(lián)系的機(jī)理研究較少。三是控釋肥養(yǎng)分釋放受膜材料特性和環(huán)境條件制約，而目前棉花專用控釋肥料缺失。一種控釋肥往往在不同地點(diǎn)、作物上施用，未充分考慮棉花需肥特性、地域差異、氣候差異、土壤差異等特點(diǎn)， 也往往導(dǎo)致控釋肥的增產(chǎn)效果不理想。四是包膜所用核心肥料大部分為尿素或復(fù)合肥，不能滿足棉花對微量元素，尤其是硼、鋅等的需求，使棉花纖維品質(zhì)下降。

5.2控釋肥在棉花上的應(yīng)用展望棉花生育期長，在日常管理和收獲過程中，用工量大，在我國農(nóng)業(yè)由粗放型經(jīng)濟(jì)向集約型轉(zhuǎn)變和農(nóng)村勞動力轉(zhuǎn)向城市的過程中，棉花也由傳統(tǒng)栽培模式向現(xiàn)代簡化栽培管理轉(zhuǎn)變。要解決棉花生產(chǎn)中的諸多矛盾和問題，建議今后從以下幾個方面加強(qiáng)研究：①根據(jù)土壤肥力、土壤質(zhì)地、環(huán)境條件，結(jié)合棉花需肥特性，形成不同工藝的包膜技術(shù)，開發(fā)棉花專用控釋肥料；②研發(fā)出生態(tài)環(huán)保、易降解且控釋性能好的包膜材料，降低包膜材料的成本；③形成含大量、中量和微量等多種營養(yǎng)成分的控釋肥料，并根據(jù)棉花無限生長特性，添加適量生長調(diào)節(jié)劑。因此，充分發(fā)揮控釋肥對棉花的增產(chǎn)潛力，減少棉花的種植用工，是保證棉花種植面積、增加棉農(nóng)植棉興趣、實(shí)現(xiàn)栽培輕簡化的重要措施；開發(fā)新型環(huán)保、高效的控釋肥料，不僅具有重要的經(jīng)濟(jì)意義，對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)也具有重要價值。